El nuevo mecanismo utiliza cristal fotónico para concentrar la luz en un chip

Concentrar la luz en un volumen tan pequeño como la longitud de onda en sí es un desafío que es crucial para numerosas aplicaciones. Investigadores de Amolf, Tu Delft y Cornell University en los Estados Unidos han demostrado una nueva forma de enfocar la luz en una escala extremadamente pequeña. Su método utiliza propiedades especiales de un cristal fotónico y funciona para un espectro más amplio de longitudes de onda que los métodos alternativos. Los investigadores publicado sus hallazgos en Avances científicos el 18 de abril.

El enfoque de la luz es importante para diversas aplicaciones tecnológicas en chips fotónicos, como comunicación cuántica, sensores ópticos y láseres en chip. «Hasta ahora, sabíamos dos estrategias generales para concentrar la luz: se puede hacer usando cavidades ópticas o con guías de onda que comprimen la luz como un embudo», dice el líder del grupo de Amolf, Ewold Verhagen.

«El primer método utiliza resonancia, que limita el enfoque o concentración de luz a una longitud de onda específica. El segundo método funciona, similar a una lente tradicional, solo en un dispositivo mucho más grande que la longitud de onda de la luz utilizada».

Luz de bloqueo

Una idea teórica de los investigadores de la Universidad de Cornell, dirigida por Gennady Shvets, señaló el nuevo método que Ph.D. El candidato Daniel Muis y sus colegas ahora han demostrado por primera vez. Un aspecto importante del método es la llamada topología del sistema físico.

Muis explica: «Usamos cristales fotónicos, que son losas de silicio con un patrón regular de agujeros muy pequeños, que prohíben la propagación de la luz en la losa de silicio, en principio. Pero, cuando colocamos dos de estos cristales con un patrón reflejado al lado de la otra, una guía de onda se crea en su límite; la luz solo puede mover a lo largo del límite. Lo que hace que este diseño sea especial es que la conducción de la conducción de la conducción de la conducta es la top, lo que se genera, lo que se produce, lo que hace que la luz sea la luz. La dispersión o el reflejo de la luz por las imperfecciones en el cristal se suprime «.

Los investigadores se preguntaron qué pasaría si terminaran abruptamente una guía de ondas, con una «pared» de material que la luz no puede pasar. «Dado que la luz no tiene a dónde ir y se suprimen los reflejos, debería acumularse frente a esa pared», dice Muis. «La luz eventualmente se recupera a través de la guía de onda, pero solo después de un retraso. Esto da como resultado una amplificación local del campo de luz».

Concentración de luz

Los grupos de Verhague en Amolf y Kobus Kuipers en Tu Delft decidieron verificar las predicciones en un experimento junto con los investigadores de Cornell. Las guías de onda topológicas se hicieron en un chip de silicio en Amolf. Para visualizar la acumulación prevista de luz dentro del cristal fotónico, Muis usó un microscopio único en Tu Delft que escanea los campos de luz a través de una aguja ultra delgada sobre la superficie del cristal. Este microscopio puede localizar la intensidad de la luz en una escala aproximadamente 1,000 veces más pequeña que el grosor de un cabello humano.

«De hecho, vimos una amplificación clara del campo de la luz al final de la guía de onda topológica. Curiosamente, esto solo sucedió cuando el ‘muro’ que termina la guía de onda se colocó en un cierto ángulo. Esto era exactamente lo que nuestros socios en Cornell habían predicho», dice Muis.

«Proba que la amplificación de la luz está relacionada con la supresión topológica de la reflexión de la espalda. La amplificación de la luz se concentra en un volumen muy pequeño, tan pequeño como la longitud de onda de la luz en sí. Una ventaja importante de este método es que es una banda inherentemente ancha: funciona para múltiples longitudes de onda diferentes».

El artículo en Avances científicoscon las igualdad de contribuciones de Muis y su colega de Cornell, Yandong Li, se pueden leer como una receta para futuras investigaciones o aplicaciones de esta forma de amplificación de luz en un chip. El mecanismo demostrado también debe aplicarse a cualquier otro tipo de onda en un medio estructurado, incluidas ondas de sonido o incluso electrones en cristales específicos.

Muis dice: «Para el siguiente paso, sería interesante usar un láser pulsado para ver el intervalo de tiempo en el que la luz continúa acumulando, para ver cuánto se puede maximizar la amplificación de campo y usarlo para aplicaciones en manipulación de la luz en chips ópticos».